JP5868504B2 - 風計測コヒーレントライダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一周波数からなるレーザ光を大気中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号より風速検出を行う風計測コヒーレントライダ装置に関し、特に、温度変化やローカル光のパワーの変化等により、受信系の雑音レベルが変動した場合においても、受信スペクトルのピーク周波数や幅を正確に測定することができる風計測コヒーレントライダ装置に関する。

風計測用コヒーレントライダ装置では、パルス光を大気中照射して、エアロゾルからの散乱光を受光する。送信パルス光のシード光と散乱光とのヘテロダイン検波により、エアロゾルの移動によって生じるドップラーシフトを求め、レーザ照射方向の風を計測する。ドップラーシフトは、ヘテロダイン検波後の信号をＦＦＴ処理し、そのピーク周波数から導出し、さらに周波数幅から風速幅（風速場の乱れ度合い）を導出する。
従来の風計測用のライダ装置として、例えば、特許文献１に記載の装置が知られている。この装置では、風速場の先見情報を利用し、低ＳＮ比での風速測定を高精度で行う。

特開２００９−１６２６７８号公報

一般的な風計測用コヒーレントライダ装置では、ローカル光と呼ばれる単一周波数の連続波光と大気中に浮遊するエアロゾル等からの散乱光を受光してヘテロダイン検波し、その受信信号の周波数領域におけるピーク値を重心演算により導出し、その周波数シフト量から大気中の風速を測定する。このとき、連続波光のパワー変動や光受信機の温度変動による利得変化により、周波数解析時の雑音スペクトルのレベルが変動する。上記従来の特許文献１に記載のライダ装置では、雑音スペクトルのレベル変動が生じた場合には、周波数領域における重心演算時に、検出するピーク周波数位置に誤差が生じ、風速測定値にオフセット誤差として影響を及ぼすという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、雑音スペクトルのレベル変動が生じた場合でも高精度に風速測定を行うことのできる風計測コヒーレントライダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る風計測コヒーレントライダ装置は、単一周波数からなるレーザ光を大気
中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号より風速検出を行う風計測コ
ヒーレントライダ装置において、受信信号がない状態での雑音スペクトルを記録する雑音
スペクトル記録手段と、強度レベルのｄＢ領域で前記受信信号のスペクトルと前記雑音スペクトルとの差分をとる雑音スペクトル差分手段と、前記雑音スペクトル差分手段での差分により得られた信号スペクトルに対して、該信号スペクトルの周波数ピーク位置から所定の値離れた周波数の雑音レベルに対するオフセット補正を強度レベルの線形領域で行うオフセット補正手段と、オフセット補正後の信号スペクトルに対して信号処理を行い、周波数シフトを測定する周波数シフト解析手段と、周波数シフト量に基づいて風速検出を行う風速換算手段とを備えたものである。

この発明の風計測コヒーレントライダ装置は、受信信号がない状態での雑音スペクトル
を記録して、強度レベルのｄＢ領域で受信信号のスペクトルとこの雑音スペクトルとの差分をとり、かつ、この差分により得られた信号スペクトルに対して、周波数ピーク位置から所定の値離れた周波数の雑音レベルに対するオフセット補正を強度レベルの線形領域で行うようにしたので、温度変化や光源のパワー変化などにより雑音スペクトルのレベル変動が生じた場合でも高精度に風速測定を行うことができる。

この発明の実施の形態１による風計測コヒーレントライダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による風計測コヒーレントライダ装置の雑音スペクトルの差分からオフセット補正の動作を示す説明図（その１）である。 この発明の実施の形態１による風計測コヒーレントライダ装置の雑音スペクトルの差分からオフセット補正の動作を示す説明図（その２）である。 この発明の実施の形態１による風計測コヒーレントライダ装置のオフセット値の導出とオフセットの補正を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による風計測コヒーレントライダ装置を示す構成図である。
図１に示す風計測コヒーレントライダ装置において、光源１は光分配器２と接続し、光分配器２はパルス変調器３と光カプラ６に接続する。パルス変調器３は光サーキュレータ４に接続し、光サーキュレータ４は光アンテナ５と光カプラ６に接続する。光カプラ６はさらに光受信機７に接続する。光受信機７はアナログ−ディジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）８に接続し、Ａ／Ｄ変換器８は高速フーリエ解析装置（以下、ＦＦＴ装置という）９に接続する。ＦＦＴ装置９は雑音スペクトル差分装置１０に接続し、雑音スペクトル差分装置１０はオフセット補正装置１１に接続する。オフセット補正装置１１は周波数シフト解析装置１２に接続し、周波数シフト解析装置１２は風速換算装置１３に接続する。

また、図１において、太線で示しているように、光源１と光分配器２の間、光分配器２とパルス変調器３の間、光分配器２と光カプラ６の間、パルス変調器３と光サーキュレータ４の間、光サーキュレータ４と光アンテナ５の間、光サーキュレータ４と光カプラ６の間、光カプラ６と光受信機７の間は光ファイバケーブルのような光回線で接続する。
一方、図１中、細線で示しているように、光受信機７とＡ／Ｄ変換器８の間、Ａ／Ｄ変換器８とＦＦＴ装置９の間、ＦＦＴ装置９と雑音スペクトル差分装置１０の間、雑音スペクトル差分装置１０とオフセット補正装置１１の間、オフセット補正装置１１と周波数シフト解析装置１２の間、周波数シフト解析装置１２と風速換算装置１３の間は電気信号ケーブルのような電気回路で接続する。

光源１は単一周波数からなる連続波光を送信する機能を有し、光分配器２は光源１からの光を２分し、一方をパルス変調器３に、他方を光カプラ６に送るための分配器である。パルス変調器３は、入力した光に対して、所定の周波数シフトを与え、さらにパルス変調をかける変調器である。光サーキュレータ４は、パルス変調器３からの光信号を光アンテナ５に送ると共に、光アンテナ５からの光信号を光カプラ６に送る機能を有している。光アンテナ５は、光サーキュレータ４からの光信号を大気中に送信し、また、大気中からの散乱光を受信光として光サーキュレータ４に送るための送受信アンテナである。光カプラ６は光分配器２と光サーキュレータ４からの光信号を合波し、光受信機７に送るための光合波器である。光受信機７は、光カプラ６からの光信号をヘテロダイン検波により電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器８に送るための受信機である。

Ａ／Ｄ変換器８は光受信機７の受信電気信号をアナログ／デジタル変換する回路であり、ＦＦＴ装置９は、高速フーリエ変換により受信電気信号の周波数解析を行う装置である。雑音スペクトル差分装置１０は、受信信号がない状態での雑音スペクトルを記録する雑音スペクトル記録手段と、受信信号のスペクトルから雑音スペクトルを差分する雑音スペクトル差分手段を構成する装置である。この雑音スペクトル差分装置１０では、散乱光を受光しない状態の受信スペクトルを雑音スペクトルとして予め記録し、受光した状態の受信スペクトルから雑音スペクトルの差分をとるよう構成されている。オフセット補正装置１１は、雑音スペクトルを差分した信号スペクトルに対して、受信信号の周波数ピーク位置から所定の値離れた周波数の雑音レベルに対するオフセット補正を行うオフセット補正手段を構成する装置である。このオフセット補正装置１１は、雑音スペクトルを差分した信号スペクトルに対して、周波数ピーク位置から十分離れた周波数位置での雑音レベルがゼロとなるようオフセット補正を行うよう構成されている。周波数シフト解析装置１２は、オフセット補正後の信号スペクトルに対して信号処理を行い、周波数シフトを測定する周波数シフト解析手段を構成する装置である。この周波数シフト解析装置１２は、オフセット補正後の信号スペクトルに対してピーク検出処理や重心演算処理等を行い、周波数シフト量を測定するよう構成されている。風速換算装置１３は、周波数シフト量に基づいて風速検出を行う風速換算手段を構成するもので、周波数シフト量から風速値に変換し、出力するよう構成されている。

次に、実施の形態１の風計測コヒーレントライダ装置の動作について説明する。
光源１から、単一周波数からなる連続波光を送信し、この光信号を光分配器２により分配した後、一方をパルス変調器３に、もう一方を光カプラ６に送信する。パルス変調器３では、入力した光に対して所定の周波数シフトを与え、さらに所定のパルス幅と繰り返し周期からなる変調信号によりパルス化する。このパルス化された光信号を光サーキュレータ４、光アンテナ５を介して大気中に送信する。大気中に送信された光信号は、大気中に浮遊するエアロゾル等の散乱体により散乱され、この散乱光を光アンテナ５により受信光として受信する。この際、エアロゾル等の散乱体が風に乗って移動しているため、受信光には風速に相当するドップラーシフト周波数が生じている。上記受信光を、光アンテナ５、光サーキュレータ４、を介して光カプラ６に送る。光カプラ６において、光分配器２からの連続波光と上記受信光を合波し、光受信機７に送る。

ここで、パルス変調器３により入力した光に対して所定の周波数シフトを与え、さらに所定のパルス幅と繰り返し周期からなる変調信号によりパルス化する方法を示しているが、所定のパルス幅と繰り返し周期からなる変調信号によりパルス化し、光分配器２と光カプラ６の間に、所定の周波数シフトを与える音響光学素子等を挿入する構成としてもよい。

光受信機７では、上記連続波光と上記受信光とをヘテロダイン検波して電気信号領域である受信信号に変換する。このとき、受信信号の周波数は、風速に相当するドップラー周波数シフトと同じ値となる。次に、Ａ／Ｄ変換器８において、光受信機７からの受信信号のＡ／Ｄ変換を行い、このディジタル信号をＦＦＴ装置９に送る。ＦＦＴ装置９では、受信ディジタル信号に対してＦＦＴを行い、受信スペクトルを求める。

雑音スペクトル差分装置１０では、上述した光源１から連続波光を送信し、ＦＦＴ装置９で受信スペクトルを求める過程において、例えばレーザ光を照射せずに、散乱光を受光しない状態での受信スペクトルを雑音スペクトルとして予め記録しておき、散乱光を受光した場合の受信スペクトルとの差分をｄＢ領域にて実施し、信号スペクトルを求める。さらに強度レベルを線形領域に変換する。

ここで、予め記録する雑音スペクトルは、レーザパルス１ショットに相当する時間分解能での測定でもよいし、ｎ回積算して測定してもよい。

図２および図３は、雑音スペクトルの差分からオフセット補正の場合の動作を示す説明図である。なお、図２における右端の図と図３における左端の図は線形変換後の同じ図を示している。
図２における左端の図は、散乱光を受光しないときの受信スペクトル（雑音スペクトル）と散乱光を受光した場合の受信スペクトルの例を示す。また、図２および図３において、（ａ）は予め記録した雑音スペクトルに対して、受信スペクトルの雑音レベルがほぼ同じレベルである場合、（ｂ）は予め記録した雑音スペクトルに対して、受信スペクトルの雑音レベルが大きい場合、（ｃ）は予め記録した雑音スペクトルに対して、受信スペクトルの雑音レベルが小さい場合の例である。これらの変動は、温度変化や光源のパワー変化により生じる。

雑音スペクトル差分装置１０により、受信スペクトルから雑音スペクトルが差分されると、雑音スペクトルの“形状”が補正され、相対強度０ｄＢにオフセットが重畳された信号スペクトルを得ることができる。これにより、信号スペクトルより雑音スペクトルの強度が高い場合、後述するオフセット補正装置１１や周波数シフト解析装置１２におけるピーク周波数位置の測定において、雑音スペクトルのピーク周波数を誤検知することを防ぐことができる。

雑音スペクトル差分装置１０で得られた線形領域での信号スペクトルはオフセットをもち、さらに、雑音スペクトルの強度レベルが予め記録した雑音スペクトルに対して変動した場合、前記オフセット量は変動する。オフセット補正装置１１では、前記線形領域における信号スペクトルに対して、信号スペクトル形状の相関フィルタをかけておおよそのピーク周波数位置を測定し、その周波数位置から十分離れた周波数位置においてオフセット量を求め、このオフセット量を信号スペクトルから差分する。これにより、オフセット補正された信号スペクトルを得る。

図４は、オフセット補正装置１１におけるピーク周波数とオフセット量の導出原理とオフセット補正について示す図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）は図２および図３と同様の場合を示している。オフセット量の導出においては、先ず、信号スペクトル形状相当のフィルタを用いて相関値を算出する。このとき相関値が最大となる周波数をおおよそのピーク周波数とする。次に、このときの相関波形の周波数幅Δνより、周波数ピーク位置からΔν×ｎ（ｎは１以上の整数）倍離れた周波数をオフセット値として参照し、補正する。

ここで、周波数ピーク位置から十分に離れた周波数位置でのオフセット量の導出に関して、一点の時間平均値から求めてもよいし、一定の周波数幅の平均値より求めてもよい。また、周波数ピーク位置から十分に離れた周波数位置に関して、予め定めた周波数帯でオフセット量を算出してもよいし、測定された周波数ピーク位置から所定の周波数離れた位置でオフセット量を算出してもよい。また、測定された周波数ピーク位置に基づいて、高周波側に離れた周波数位置のオフセット量を測定するか、低周波側に離れた周波数位置のオフセット量を測定するかを選択する場合もある。

次に、周波数シフト解析装置１２では、上記オフセット補正後の信号スペクトルに対し、重心演算により信号ピーク周波数を求め、さらに風速換算装置１３により、レーザ周波数と前記ピーク周波数から、風速値を算出する。

ここで、重心演算を行う周波数範囲に関して、全周波数領域で実施してもよいし、信号処理負荷を軽減するため、オフセット補正装置１１で求めた周波数ピーク位置周辺のみで実施してもよい。

ここで、雑音スペクトルが周波数特性を持っており、雑音スペクトルを差分しない受信スペクトルを線形変換し、重心演算により周波数ピークを検出した場合、重心演算が雑音の影響を受け、周波数ピーク位置の真値に対してずれた位置で周波数ピークを検出してしまう。つまり、測定する周波数シフト量に誤差が生じ、正確な風速測定ができない。

また、受信スペクトルから雑音スペクトルを差分して信号スペクトルを導出しても、雑音スペクトルの強度レベルに変動があった場合、線形領域における前記信号スペクトルにオフセットが生じる。ここで、信号ピーク位置の重心は一般的に、

で定義される信号スペクトルの１次モーメントより導出する。ここで、ｆｇは重心位置、ｆは周波数、ｘは各周波数における振幅である。したがって、信号スペクトルの振幅に対して前記オフセットが大きい場合には、重心位置が正確に導出することができない。つまり、測定する周波数シフト量に誤差が生じ、正確な風速測定ができない。

これに対し、実施の形態１の風計測用コヒーレントライダ装置では、雑音スペクトルに周波数特性があり、かつ雑音スペクトルの強度レベルに変動があった場合でも、受信スペクトルより雑音スペクトルを差分することにより信号スペクトルを導出し、さらに線形領域における信号スペクトルに対してオフセット補正を行うことにより、重心演算により高精度に信号スペクトルの周波数ピーク位置を検出することができる。つまり、周波数シフト量を正確に測定でき、高精度な風速測定が可能となる。

さらに、雑音スペクトルに周波数特性があり、かつ雑音スペクトルの強度レベルに変動があった場合でも、受信スペクトルより雑音スペクトルを差分することにより信号スペクトルを導出し、さらに線形領域における信号スペクトルに対してオフセット補正を行うことにより、

で定義される２次モーメントより、信号スペクトルの周波数幅を正確に検出することができる。これにより、測定する風速場の乱れを推定することが可能となる。

また、実施の形態１の風計測用コヒーレントライダ装置では、雑音レベルと信号レベル（受信信号の周波数ピークレベル）を測定毎に記録するため、雑音レベルが変動した場合でも、測定時の受信信号対雑音比（以下、受信ＳＮ比）を正確に導出することができる。一般的に、雑音が白色雑音である場合、受信ＳＮ比が低ければ、信号強度のばらつきが大きくなり、周波数ピーク位置の検出精度にもばらつきが生じる。そのため、受信ＳＮ比から検出した周波数ピーク位置（風速値）に対する信頼性や精度に関する指標を得ることが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１の風計測コヒーレントライダ装置によれば、単一周波数からなるレーザ光を大気中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号より風速検出を行う風計測コヒーレントライダ装置において、受信信号がない状態での雑音スペクトルを記録する雑音スペクトル記録手段と、受信信号のスペクトルから雑音スペクトルを差分する雑音スペクトル差分手段と、雑音スペクトルを差分した信号スペクトルに対して、受信信号の周波数ピーク位置から所定の値離れた周波数の雑音レベルに対するオフセット補正を行うオフセット補正手段と、オフセット補正後の信号スペクトルに対して信号処理を行い、周波数シフトを測定する周波数シフト解析手段と、周波数シフト量に基づいて風速検出を行う風速換算手段とを備えたので、雑音スペクトルのレベル変動が生じた場合でも高精度に風速測定を行うことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る風計測コヒーレントライダ装置は、受信信号がない状態での雑音スペクトルを記録して、この雑音スペクトルを受信信号のスペクトルから差分し、かつ、この信号スペクトルに対して、周波数ピーク位置から所定の値離れた周波数の雑音レベルに対するオフセット補正を行うように構成し、雑音スペクトルのレベル変動が生じた場合でも高精度に風速測定を行うことができるので、大気中の風速を測定する風計測コヒーレントライダ装置として用いるのに適している。

１ 光源、２ 光分配器、３ パルス変調器、４ 光サーキュレータ、５ 光アンテナ、６ 光カプラ、７ 光受信機、８ Ａ／Ｄ変換器、９ ＦＦＴ装置、１０ 雑音スペクトル差分装置、１１ オフセット補正装置、１２ 周波数シフト解析装置、１３ 風速換算装置。

Claims (3)

1. 単一周波数からなるレーザ光を大気中に対し送受し、ヘテロダイン検波により得られた受信信号より風速検出を行う風計測コヒーレントライダ装置において、
   前記受信信号がない状態での雑音スペクトルを記録する雑音スペクトル記録手段と、
   強度レベルのｄＢ領域で前記受信信号のスペクトルと前記雑音スペクトルとの差分をとる雑音スペクトル差分手段と、
   前記雑音スペクトル差分手段での差分により得られた信号スペクトルに対して、該信号スペクトルの周波数ピーク位置から所定の値離れた周波数の雑音レベルに対するオフセット補正を強度レベルの線形領域で行うオフセット補正手段と、
   前記オフセット補正後の信号スペクトルに対して信号処理を行い、周波数シフトを測定する周波数シフト解析手段と、
   前記周波数シフト量に基づいて風速検出を行う風速換算手段とを備えたことを特徴とする風計測コヒーレントライダ装置。
2. 前記周波数シフト解析手段は、強度レベルの線形領域に変換された前記オフセット補正後の信号スペクトルに対して重心演算を行い、前記周波数シフトを測定することを特徴とする請求項１に記載の風計測コヒーレントライダ装置。
3. 前記オフセット補正手段は、前記周波数ピーク位置に基づき、前記所定の値離れた周波数を前記周波数ピーク位置の高周波側とするか低周波側とするかを選択する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風計測コヒーレントライダ装置。

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